TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接的可行性研究

許 平，王 奡，蘇智星

(中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110035)

0 引言

TA15鈦合金名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，綜合性能優(yōu)異，其主要強(qiáng)化機(jī)制是α穩(wěn)定元素Al的固溶強(qiáng)化，加入中性元素Zr和β穩(wěn)定元素Mo及V后，工藝性能也能夠得到改善。該合金既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有接近于α+β型鈦合金的工藝塑性［1］。據(jù)相關(guān)報(bào)道，TA15鈦合金的塑性僅次于TC4鈦合金，同樣可以采用超塑成形/擴(kuò)散連接工藝制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，而由于其強(qiáng)度極限略高于TC4鈦合金，使得TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接在有強(qiáng)度要求的部件上發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

某TA15鈦合金飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜(見(jiàn)圖1)，承載較大，對(duì)重量等指標(biāo)要求苛刻。為了滿足載荷、重量等多約束的設(shè)計(jì)要求，擬采用超塑成形/擴(kuò)散連接方法制造兩層結(jié)構(gòu)的TA15鈦合金壁板，并對(duì)其拉伸、疲勞、剪切等力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，探討超塑成形/擴(kuò)散連接方法制造TA15鈦合金壁板的可行性。

圖1 TA15鈦合金飛機(jī)壁板示意圖Fig.1 Sketch of TA15 titanium alloy aircraft panel

1 實(shí)驗(yàn)

采用厚度分別為2、4 mm的TA15鈦合金板材，經(jīng)兩步熱循環(huán)制造工藝，即先擴(kuò)散連接后超塑成形，制備TA15鈦合金壁板。超塑成形/擴(kuò)散連接的設(shè)備為超塑成形機(jī)FSP-750，擴(kuò)散連接主要工藝參數(shù)為:擴(kuò)散溫度920～950℃，單位壓力1.5 MPa，保壓時(shí)間1 h。超塑成形主要工藝參數(shù)為:超塑成形溫度920～950℃，應(yīng)變速率5×10-3s-1。對(duì)TA15鈦合金壁板進(jìn)行化學(xué)銑切、宏觀及顯微鏡觀察以及超聲波無(wú)損檢測(cè)。

為了考核TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接壁板的力學(xué)性能，規(guī)劃了與上述壁板的材質(zhì)、厚度、成形工藝及成形過(guò)程完全一致的力學(xué)性能試驗(yàn)件，測(cè)試TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接兩層結(jié)構(gòu)的拉伸性能、疲勞性能以及剪切性能。其中，拉伸試樣2個(gè)，試樣尺寸及實(shí)驗(yàn)過(guò)程按照GB/T 228.1—2012執(zhí)行;疲勞試驗(yàn)采用成組法進(jìn)行，試樣共25個(gè)，分為5組，每組5個(gè)，5組試驗(yàn)的最大載荷分別為0.35Pb、0.40Pb、0.45Pb、0.50Pb、0.55Pb(Pb取上述2個(gè)拉伸試樣破壞載荷的平均值)，試驗(yàn)按等幅譜加載，應(yīng)力比R為0.06，加載頻率為5～15 Hz;剪切試樣3個(gè)，其尺寸及試驗(yàn)過(guò)程按照HB 6736—93執(zhí)行。

實(shí)驗(yàn)在空軍裝備研究院飛機(jī)壽命研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，設(shè)備為美國(guó)MTS公司的50 t MTS810液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，加載精度如下:靜載誤差范圍在±0.5%，動(dòng)載誤差范圍在±1%;液壓促動(dòng)器位移量程為100 mm，精度為±1%(滿量程);應(yīng)變引伸計(jì)量程為50 mm，精度為±0.5%(滿量程)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備均經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)且在有效期內(nèi)，精度等指標(biāo)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 壁板質(zhì)量

經(jīng)過(guò)超塑成形/擴(kuò)散連接工藝成形后，對(duì)TA15鈦合金壁板局部應(yīng)力較低的部位進(jìn)行了化學(xué)銑切，銑切的界面已達(dá)到或超過(guò)了擴(kuò)散連接的界面，說(shuō)明TA15鈦合金壁板的擴(kuò)散連接的焊合率非常好。經(jīng)宏觀及顯微鏡觀察、無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，TA15鈦合金壁板表面沒(méi)有裂紋、針眼、壓褶、金屬夾雜等缺陷，其氧化色低于300℃的標(biāo)準(zhǔn)氧化色，擴(kuò)散連接區(qū)的缺陷在每300 mm×220 mm范圍內(nèi)不多于1處，缺陷小于φ4 mm的圓面積。說(shuō)明采用超塑成形/擴(kuò)散連接工藝制造的TA15鈦合金壁板質(zhì)量良好。

2.2 拉伸性能

TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接兩層結(jié)構(gòu)試樣的拉伸性能見(jiàn)表1。

表1 TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接試樣的拉伸性能Table 1 Tensile properties of superplastic forming/diffusion bonding TA15 titanium alloy samples

為了研究試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)超塑成形/擴(kuò)散連接熱循環(huán)工藝之后的強(qiáng)度損失，對(duì)同批次原材料進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 TA15鈦合金板材的拉伸性能Table 2 Tensile properties of TA15 titanium alloy plates

以4 mm厚原材料的平均抗拉強(qiáng)度Rm=1062.5 MPa為參考，經(jīng)過(guò)超塑成形/擴(kuò)散連接熱循環(huán)后，試樣的抗拉強(qiáng)度約為原材料的88.7%，雖然超出了壁板Rm≥870 MPa的設(shè)計(jì)要求，但是其強(qiáng)度未達(dá)到原材料的90%(一般而言，設(shè)計(jì)上要求經(jīng)超塑成形/擴(kuò)散連接后，結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到原材料的90%以上)，這說(shuō)明TA15鈦合金經(jīng)過(guò)超塑成形/擴(kuò)散連接熱循環(huán)后強(qiáng)度下降得比較多，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)調(diào)整工藝參數(shù)，使其拉伸強(qiáng)度達(dá)到原材料的90%以上。

超塑成形/擴(kuò)散連接兩層結(jié)構(gòu)的TA15鈦合金試樣的σ-ε曲線如圖2所示。

圖2 TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接試樣的σ-ε曲線Fig.2 σ-ε curve of superplastic forming/diffusion bonding TA15 titanium alloy sample

從圖2中可以看出，超塑成形/擴(kuò)散連接兩層結(jié)構(gòu)的TA15鈦合金試樣沒(méi)有明顯的屈服階段，其屈服強(qiáng)度 Rp0.2為845.6 MPa。

2.3 疲勞性能

TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接試樣的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試樣破壞情況見(jiàn)表3。

表3 TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接試樣的疲勞性能Table 3 Fracture properties of superplastic forming/diffusion bonding TA15 titanium alloy samples

第一組疲勞試驗(yàn)從最大載荷為0.45Pb的一組試樣開(kāi)始，5個(gè)試樣的疲勞壽命在5萬(wàn)次至20萬(wàn)次之間。由于該組試驗(yàn)的壽命距100萬(wàn)次差別較大，故將成組試驗(yàn)最大載荷級(jí)別調(diào)整為0.30Pb、0.35Pb、0.40Pb、0.45Pb、0.50Pb5個(gè)級(jí)別，即將最大載荷為0.55Pb的一組試驗(yàn)調(diào)整為最大載荷為0.30Pb，然后繼續(xù)試驗(yàn)。在試驗(yàn)的過(guò)程中，最大載荷為0.35Pb的一組試驗(yàn)，由于在做完5個(gè)試樣的疲勞試驗(yàn)后，疲勞壽命分散性較大，且發(fā)生了試樣夾持端破壞的現(xiàn)象，因而將最大載荷為0.50Pb的2個(gè)試樣調(diào)至0.35Pb一組，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

從表3中可以看出，最大載荷為0.30Pb的一組試樣，全部完成了100萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn)，試樣未出現(xiàn)裂紋或破壞;最大載荷為0.35Pb的一組試樣，除了兩個(gè)在接近100萬(wàn)次時(shí)試驗(yàn)夾持端破壞外，只有一個(gè)在218995次時(shí)，在試樣中間部位發(fā)生斷裂，按照表4的成組法試件疲勞壽命統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果，可以認(rèn)為其中值疲勞壽命［2］達(dá)到100萬(wàn)次;最大載荷為0.40Pb的一組試驗(yàn)，其疲勞壽命分散性較大，從8萬(wàn)多次到100萬(wàn)次以上，根據(jù)表4的處理結(jié)果，其中值疲勞壽命為286681次;最大載荷為0.45Pb的一組試驗(yàn)，其疲勞壽命從55392次到196051次，破壞部位基本為試樣的中間部位，其中值疲勞壽命為109093次;最大載荷為0.50Pb的一組試驗(yàn)，只有3個(gè)試樣，疲勞壽命為24883～102276次，中值疲勞壽命為43944次。

表4 成組法試件疲勞壽命統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果Table 4 Results of statistical treatment for fatigue samples by group method

對(duì)成組試件各應(yīng)力水平下疲勞壽命進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理，并且繪制了成組疲勞試驗(yàn)的S-N曲線，見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，在最大載荷為0.35Pb及以下時(shí)，TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接試驗(yàn)件的疲勞壽命可以達(dá)到100萬(wàn)次。

2.4 剪切性能

TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接兩層結(jié)構(gòu)試樣的剪切性能見(jiàn)表5。

圖3 成組疲勞試件的S-N曲線Fig.3 S-N curve of fatigue samples by group method

從表5中計(jì)算得出，剪切試樣的剪切強(qiáng)度τsu平均值為576.2 MPa。按TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接兩層結(jié)構(gòu)試樣的抗拉強(qiáng)度Rm為942.9 MPa計(jì)算，τsu=61.1%Rm。正常情況下，結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度應(yīng)能達(dá)到60%Rm，這說(shuō)明TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接兩層結(jié)構(gòu)壁板的剪切強(qiáng)度達(dá)到了指標(biāo)的要求。

表5 TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接試樣的剪切性能Table 5 Shear properties of superplastic forming/diffusion bonding TA15 titanium alloy samples

3 結(jié)論

(1)TA15鈦合金具有良好的超塑性，可以采用超塑成形/擴(kuò)散連接工藝用于飛機(jī)的承力構(gòu)件上。

(2)TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接的壁板可以滿足壁板拉伸性能、剪切性能以及疲勞性能的設(shè)計(jì)要求。

(3)TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接拉伸試樣的拉伸強(qiáng)度Rm為942.9 MPa，達(dá)到了母材的88.7%，而未達(dá)到90%，剪切強(qiáng)度τsu為576.2 MPa，達(dá)到了抗拉強(qiáng)度Rm的61.1%，在控制疲勞載荷≤0.35Pb時(shí)，試樣有較好的疲勞壽命;后續(xù)應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接的工藝技術(shù)研究，優(yōu)化其工藝參數(shù)，以使其拉伸強(qiáng)度以及疲勞性能得到進(jìn)一步提高。

［1］中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè):第4卷鈦合金 銅合金［M］.2版.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［2］高鎮(zhèn)同，熊峻江.疲勞可靠性［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2000.